I veicoli elettrici stanno diventando popolari grazie alle loro caratteristiche ecologiche in termini di qualità, semplicità funzionale ed efficienza energetica. La spinta funzionale è azionata da un motore elettrico, che ha una struttura semplice rispetto a un motore a combustione interna. Per quanto riguarda l'efficienza energetica, il confronto tra auto a combustione e veicoli elettrici è simbolico: le auto a combustione hanno un'efficienza energetica del 16 per cento, mentre i veicoli elettrici hanno un'efficienza energetica dell'85 per cento. La natura elettrica della propulsione ha un vantaggio rispetto alla natura basata sulla combustione - energia rinnovabile.
L'elettricità offre molta flessibilità, incluso l'uso di varie forme di raccolta di energia che aiutano a caricare la batteria, prolungando il tempo di funzionamento del veicolo stesso. Pertanto, la tecnologia di raccolta di energia è una prospettiva per soluzioni di ricerca e sviluppo di veicoli elettrici.
L'autonomia dei veicoli elettrici riflette direttamente l'efficienza dei loro sistemi di propulsione e di gestione dell'energia. Inoltre, sono necessarie anche le infrastrutture necessarie, come potenti sistemi di ricarica rapida che ora raggiungono centinaia di kilowatt, per rispettare i severi limiti dimensionali e di efficienza prefissati. Grazie alle sue specifiche proprietà fisiche, il carburo di silicio (SiC) può rispondere efficacemente a queste nuove esigenze del mercato.
Tra i veicoli ibridi ed elettrici, i principali sistemi di alimentazione elettronici sono i convertitori boost DC/DC e gli inverter DC/AC. I sistemi elettronici sviluppati per i veicoli elettrici vanno dai sensori di temperatura, corrente e tensione ai semiconduttori basati su SiC e nitruro di gallio (GaN).
Il carburo di silicio è potente
Oggi l'autonomia e i lunghi tempi di ricarica sono diventati ostacoli importanti all'adozione di veicoli elettrici. Per una ricarica rapida, è necessaria più potenza per ricaricare in meno tempo. A causa dello spazio limitato disponibile nell'auto, i sistemi di ricarica della batteria devono fornire un'elevata densità di potenza. Solo allora sarà possibile integrare questi sistemi nel veicolo.
Al centro di qualsiasi veicolo elettrico (EV) o veicolo ibrido plug-in (HEV), possiamo trovare batterie ad alta tensione (da 200 a 450 VDC) e i relativi sistemi di ricarica. I caricabatterie di bordo (OBC) forniscono un modo per caricare le batterie dall'alimentazione CA in casa o presso una stazione di ricarica pubblica o privata. Dai convertitori ad alta potenza trifase da 3,6 kW ai monofase da 22 kW, gli odierni OBC devono avere la massima efficienza e affidabilità possibile per garantire una ricarica rapida e soddisfare i requisiti di spazio e peso limitati.
Tutti i sistemi di ricarica rapida richiedono una stazione di ricarica compatta ed efficiente e gli attuali moduli di potenza SiC consentono la creazione di sistemi con la densità di potenza e l'efficienza richieste. Per raggiungere obiettivi ambiziosi in termini di densità di potenza ed efficienza del sistema, è necessario utilizzare transistor e diodi SiC.
L'eccellente intensità del campo elettrico dei substrati SiC ad alta durezza consente l'uso di substrati più sottili. Rispetto allo strato epitassiale di silicio, questo può raggiungere un decimo dello spessore. La tendenza delle batterie è quella di aumentare la capacità e questa caratteristica è associata a tempi di ricarica più brevi. Questo, a sua volta, richiede un OBC con elevata potenza ed efficienza, come 11 kW e 22 kW.
Con l'introduzione della serie SCT3xHR, ROHM offre ora la più ampia linea di prodotti nel campo dei MOSFET SiC qualificati AEC-Q101, garantendo l'elevata affidabilità richiesta per i caricatori di bordo e i convertitori CC/CC per applicazioni automobilistiche (Figura 1). STMicroelectronics dispone inoltre di un'ampia gamma di MOSFET conformi allo standard AEC-Q101, diodi al silicio e al carburo di silicio (SiC) e microcontrollori automobilistici a 32-bit SPC5 che forniscono soluzioni scalabili, economiche ed efficienti dal punto di vista energetico per l'implementazione di questi convertitori complessi (Figura 2).
Veicolo alla griglia
Si prevede che milioni di veicoli elettrici alimentati a batteria appariranno sulle strade nel prossimo decennio, ponendo un'enorme sfida alla rete. Con l'espansione della produzione di risorse rinnovabili non programmabili, aumenta anche la necessità di reti bilanciate.
Quando le batterie delle auto sono collegate alla rete tramite wallbox di ricarica domestica o stazioni di ricarica aziendali o pubbliche, la loro gestione intelligente diventa estremamente allettante. Le batterie di bordo possono essere utilizzate sia per alimentare la rete che per assorbire energia, a seconda della necessità immediata di assorbire energia.
Il sistema utilizza un telecomando per fornire il ritorno dell'energia accumulata nel veicolo o il recupero attraverso la rete (alla batteria). La tecnologia chiave per implementare questo sistema è un inverter di potenza bidirezionale che è accoppiato direttamente alla batteria ad alta tensione (da 300 a 500 volt) sul lato automatico e sul lato della rete a bassa tensione (Figura 3).
La tecnologia vehicle-to-grid (V2G) ha il potenziale per rendere la rete più equilibrata ed efficiente. Con l'aumento della domanda di elettricità, l'equilibrio tra domanda e offerta è fondamentale.
Ricarica senza fili
Grazie ai punti di ricarica situati nei garage o nei parcheggi pubblici, un'area entusiasmante è la ricarica wireless dei veicoli elettrici. Il punto di ricarica non deve necessariamente essere allineato con precisione al ricevitore sotto l'auto. A lungo termine si cercherà di sviluppare una versione micro-loading che possa integrare piastre di carico lunghe e strade pubbliche per caricare veicoli EV/HEV anche durante la guida, ma ciò dipenderà dal numero di difficoltà riscontrate a livello nazionale e livelli amministrativi locali.
Affinché la tecnologia V2G funzioni senza interruzioni, fornisca i vantaggi della stabilità della rete e consenta ai veicoli di agire come generatori e fonti di dati, la tecnologia di ricarica wireless deve essere incorporata non solo nel veicolo stesso, ma anche nelle infrastrutture domestiche e urbane. Il veicolo è carico. Ciò renderà il veicolo altamente utilizzabile se necessario.
La ricarica wireless basata sulla tecnologia della risonanza magnetica consente di ricaricare automaticamente e in sicurezza i veicoli elettrici, indipendentemente dal tipo o dalle dimensioni, posizionando bobine flessibili sulla piastra di alimentazione utilizzando materiali come cemento e asfalto. L'alimentazione wireless consentirà ai veicoli di ricaricarsi autonomamente e implementare la tecnologia V2G che eccita e attenua continuamente senza intervento umano (Figura 4).
conclusione
Le tecnologie dei semiconduttori a banda larga e le stazioni di ricarica rapida abilitate dalle capacità della rete digitale contribuiranno ad accelerare l'adozione dei veicoli elettrici. Con l'aumento della domanda globale di veicoli elettrici, aumenta anche la necessità di supportare le infrastrutture di ricarica. Le tecnologie innovative di ricarica per i veicoli elettrici possono essere un catalizzatore per il cambiamento, aiutare a promuovere l'adozione di veicoli elettrici e contribuire molto all'obiettivo di ridurre le emissioni di carbonio.
L'elettronica di potenza dei veicoli elettrici si arricchisce di dispositivi di potenza SiC per rispondere alle esigenze di miglioramento: l'efficienza energetica del sistema; la forza e la densità di potenza dei veicoli elettrici; e applicazioni ad alta potenza che richiedono alta tensione e potenza, fornendo così un importante contributo alle prestazioni del sistema e all'affidabilità a lungo termine. I MOSFET SiC e i diodi a barriera Schottky SiC (SBD) garantiscono la massima efficienza di commutazione alle alte frequenze.